实验一 流体流型（雷诺）实验
一、实验目的
1.观察流体在管内流动的两种不同流型。 2.测定临界雷诺数。
二、基本原理
流体流动有两种不同型态，即层流(滞流)和湍流(紊流)。流体作层流流动时，流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，流体质点除沿管轴方向向前运动外，还在径向作脉动运动，在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。
流体流动型态可用雷诺准数来判断，若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：
Re?du?? （1）
式中：Re —雷诺准数，无因次；
d —管子内径，m；
u —流体在管内的平均流速，m／s； ρ—流体密度，kg／m3； μ—流体粘度；Pa·s。
对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。本实验通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体的流动型态。一般认为Re?2000时，流动为层流；Re?4000时。流动为湍流；2000 三、实验装置及流程 实验装置如图所示。主要由玻璃实验管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽、缓冲水槽等部分组成。 实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、实验管和转子流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。 示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入实验管。细孔玻璃注射管(或注射针头)位于实验管入口的轴线部位。 1 5 4 6 3 2 7 8 9 1 图1 流体流型演示实验 1－循环泵，2－流量计，3－实验管，4－溢流稳压槽，5－红墨水储槽， 6－上水管，7－溢流回水管，8－调节阀，9－储水槽。 四、演示操作 1)层流流动型态 试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注入流速与实验管中主体流体的流速尽量相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后．记录主体流体的流量。此时，在实验管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。 2)湍流流动型态 缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大。玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。可观察到：玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入实验管后。立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。 注意：实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动。 五、实验数据记录与处理 雷诺演示实验数据原始记录表 实验管规格：Ф20mm?2mm 温度： 序号 1 …… 8 转子流量计读数/L·h-1 现象 2 依据流体温度查出物性参数，如粘度和密度，结合流量计算出相应的雷诺数，并把处理数据结果填于下表。 雷诺演示实验数据处理结果 序号 流量/L·h-1 雷诺数 现象 流动类型 1 …… 8 六．结果讨论 你所观察的流型和相应的雷诺数与理论一致吗？如不，是什么原因导致的？ 3 实验二 流体流动阻力的测定 一、实验目的 1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。 2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线。 3．测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数?。 4．学会涡轮流量计的使用方法。 5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。 二、基本原理 流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。 1．直管阻力摩擦系数λ的测定 流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为： hf??pf??p1?p2??lu2lu2?? （1） d2 （2） 即， ??2d?pf式中： λ —直管阻力摩擦系数，无因次； d —直管内径，m； ?pf—流体流经l米直管的压力降，Pa； hf—单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg； ρ —流体密度，kg/m3； l —直管长度，m； u —流体在管内流动的平均流速，m/s。 滞流(层流)时， 4 64 （3） Redu? （4） Re????式中：Re —雷诺准数，无因次； μ —流体粘度，kg/(m·s)。 湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。 由式（2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定?pf、u、ρ、μ等参数。 l、d为装置参数（装置参数表格中给出）， ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得， u通过测定流体流量，再由管径计算得到。 本装置采用涡轮流量计和二次仪表显示流量V；采用差压变送器和二次仪表显示压差?pf。根据实验装置结构参数l、d，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V和?pf通过式(4)和式(2)求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。 2．局部阻力系数? 的测定 局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。 (1) 当量长度法 流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为le的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号le表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中流动时的总机械能损失 ?hf 为： l??leu2?hf??d2 (5) (2) 阻力系数法 流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。即： u2?? h? (6) f??2故 ???p?f2?p?f?u2 (7) 5